Характерной чертой современных фрезерных станков с ЧПУ является высокая скорость и точность обработки. На достижение этих качеств направлено множество конструктивных решений — общая высокая жёсткость станка, мощные исполнительные элементы (электродвигатели инструментального портала и шпинделя), линейные направляющие с пониженным трением, подвижные узлы инструментального портала из лёгкого сплава и т. д.
Однако важнейшим звеном процесса механической обработки заготовок является режущий инструмент — фреза. Перечисленные выше конструктивные особенности фрезерных станков с ЧПУ накладывают определённые ограничения и предъявляют специфические требования к конструктивному исполнению режущего инструмента. Для обеспечения высокой точности при обработке на больших скоростях, фрезы для станков с ЧПУ должны обладать повышенной жёсткостью, точностью геометрии и малым собственным биением. И хотя конструктивных вариантов фрез существует достаточно много, для современных станков с ЧПУ применяются в основном концевые твёрдосплавные фрезы: одно- или двухзаходные спиральные, сферические или шариковые, с одним, двумя или многозубые, а также специальные граверы.
Выбор типа фрезы
Тип фрезы выбирается исходя из конкретных условий обработки, и зависит от материала заготовки (его твердости и склонности образовывать сплошную либо хрупкую стружку), скорости и подачи, величины снимаемого за один проход припуска, условий охлаждения и т. п. Современные фрезерные станки с ЧПУ обладают значительным диапазоном регулировки частоты вращения шпинделя и подачи инструмента. Для современного производства наблюдается тенденция обработки в более «жёстких» режимах — насколько позволяют характеристики оборудования и стойкости режущего инструмента. Такой подход оправдан самой конструкцией фрезерного станка, а также повышением рентабельности производства при увеличении темпов выпуска продукции.
Именно поэтому к режущему инструменту предъявляются столь жёсткие требования. Но, несмотря на высокие характеристики твердосплавных концевых фрез, при обработке на определённых режимах могут возникнуть проблемы с заходом и/или выходом инструмента из тела заготовки. Даже незначительное биение при большой частоте вращения фрезы вызывает сильные вибрации при осевом погружении инструмента в заготовку. Это негативно отражается на качестве, требует особой программной коррекции траектории движения фрезы и усложняет процесс обработки.
Решение этих проблем при использовании режущего инструмента стандартной конструкции невозможно. Именно поэтому производители фрез ведут постоянную модернизацию своих изделий.
Применение однозубой фрезы на станках с ЧПУ
Один из главных недостатков обычной концевой фрезы — наличие значительной осевой нагрузки при вертикальном вхождении в тело заготовки. Причиной этого является прямая торцевая перемычка на режущей части. Такая, казалось бы, незначительная проблема может быть легко решена, если придать геометрической формы обычного сверла. Однако выполнение фрезеровки сверлом довольно проблематично (хотя и возможно в принципе).
В попытках совместить достоинства фрезы и сверла была разработана геометрия однозаходной фрезы со шлифованной винтовой спиральной канавкой. Сегодня подобный тип инструмента используется всё чаще — в самых различных сферах применения фрезерных станков с ЧПУ. Однозубая концевая фреза — за счёт своей «хитрой» геометрии — отличается высокой стойкостью к износу. Торцевая поверхность фрезы отшлифована по спирали Архимеда с двумя глухими тыловыми участками. Такая конструкция обеспечивает лёгкое осевое врезание фрезы без значительных нагрузок — даже при обработке заготовок высокой твёрдости. Образно говоря, фреза имеет способность «засверливаться» в поверхность заготовки при вертикальном движении шпинделя фрезерного станка с ЧПУ.
Глубокая спиральная канавка фрезы отшлифовывается под разный угол — в зависимости от назначения фрезы под обработку конкретной заготовки, склонной к образованию вязкой либо хрупкой стружки. Спиральная канавка отводит значительную часть стружки — следовательно, её геометрия оказывает решающее влияние на качество очистки зоны резания и общую точность обработки.
Достоинства однозубой фрезы
Тыловая часть фрезы, как правило, снабжается малыми шлифованными углублениями для слома и дробления стружки. Это хорошо защищает режущие кромки фрезы от налипания стружки и не даёт шлаку забивать спиральные канавки. Однозубые фрезы отличаются повышенной надёжностью — их конструкция «застрахована» от неравномерного износа зубьев. Для многозубых фрез неравномерный износ зубьев приводит к нарушению подачи на зуб, резкому повышению радиальной нагрузки на инструмент, потере точности обработки, повышению вибраций и риску поломки инструмента — возможно прямо в цанге патрона шпинделя фрезерного станка с ЧПУ. Очевидно, что применение режущего инструмента с одним зубом полностью исключает вышеперечисленные проблемы.
Однозубая фреза менее требовательна к качеству закрепления обрабатываемой заготовки. Даже при нежёстком креплении, возникающие при обработке вибрации заготовки не оказывают разрушительного влияния на однозубую фрезу. Кроме того, рациональный выбор режимов резания позволяет легко добиться желаемой шероховатости обрабатываемой поверхности — по этому показателю однозубая фреза практически не уступает двузубой.
Ещё одним существенным плюсом однозубой фрезы является возможность изготовления инструмента как с правой, так и с левой закруткой спиральной канавки. Это позволяет осуществлять отвод стружки как вверх, так и вниз, что чрезвычайно важно для обеспечения высокого качества обработки «капризных» материалов (например, фанеры), а также для повышения надёжности обработки заготовок небольшой толщины (борьбы с эффектом «поднятия» заготовки над рабочим столом).